一种相变蓄热器的制作方法

本发明涉及蓄热技术领域，特别是涉及一种采用变孔隙率多孔介质强化蓄热过程的相变蓄热器。

背景技术：

蓄热技术是解决能量数量性与时域性差异的最佳手段。目前主要的蓄热方式包括：显热蓄热、潜热蓄热和化学能蓄热。较之显热蓄热、化学能蓄热，潜热蓄热具备以下优势：

1.潜热形式蓄热，能量密度高；

2.蓄放热过程温度稳定，蓄、放热过程能量损失少；

3.相变材料价格低廉，相同容量下相变蓄热器的体积小，装置简单。

但当前相变材料导热系数低，一直是限制相变蓄热广泛应用和发展的最大障碍。采用纯相变材料作为蓄热介质的蓄热器，蓄热过程中，由于温度梯度造成的密度差使液相相变材料存在自然对流，尽管能够促进换热，加快相变蓄热过程速度，但热流体上移，上部熔化快，下部熔化慢，整个相变材料内部温度不均匀，极易造成局部过热或过冷现象。

目前，强化相变蓄热器换热过程的方法主要有：增加扩展表面；多相变材料共用；掺混高导热系数材料；相变材料微囊化封装技术。

将相变材料填充入大孔隙率多孔介质中是一种极佳的改善相变材料蓄热性能的方法，该多孔介质主要为泡沫金属或泡沫碳。一方面金属或碳的高导热系数可以使复合材料较纯相变材料的导热系数得到有效提升；另外，泡沫金属或泡沫碳作为高孔隙率的多孔介质，大面体比也发挥了强化换热性能的作用。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种相变蓄热器，能够使相变蓄热器内部相变材料熔化过程同步，降低过冷或过热问题的出现，同时可有效地利用自然对流对相变过程的促进作用，从而达到提升蓄热器蓄热性能的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种相变蓄热器，包括蓄热器壳体，该蓄热器壳体的顶部及底部分别对应设有载热流体入口和载热流体出口，蓄热器壳体内布置有多根流体流动管束，流体流动管束周边封装有复合相变材料，复合相变材料由多孔介质填充而成，多孔介质的孔隙率沿载热流体流动方向逐渐减小。

研究发现，尽管多孔介质的引入增加了液相相变材料的流动阻力，降低了自然对流流速，弱化了自然对流对相变过程的促进作用，但高导热系数的金属骨架或碳骨架与相变材料的复合能够增大相变过程的有效导热系数，提升蓄、放热热流密度，有效减少蓄、放热时间。但当前均一的孔隙结构并不是促进相变材料换热过程的最佳结构，一方面，尽管孔隙内自然对流弱化，但依然存在，因此必然会造成内部温度不均而出现局部过冷或过热；另一方面，均一的孔隙对液相相变材料的流动阻力一致，未能发挥自然对流最佳的促进作用。

可选的或优选的，孔隙率的变化范围为0.8-0.95。

可选的或优选的，多孔介质为高导热系数的泡沫金属或泡沫碳。

可选的或优选的，泡沫金属由铜、镍、铝或铁制成。

可选的或优选的，泡沫金属由铜、镍、铝或铁的合金制成。

可选的或优选的，蓄热器壳体为耐腐蚀壳体。

可选的或优选的，蓄热器壳体由合金制成并包敷有隔热层。

本技术方案带来的有益效果是：相变蓄热器在蓄热过程中，载热流体在流体管束中向相变材料释放热量，载热流体沿流动方向温度降低，因此在载热流体入口段，孔隙率高，复合相变材料的有效导热系数低，能够缓解相变材料过热，而在载热流体出口段，孔隙率低，复合相变材料的有效导热系数高，有利于促进载热流体出口段相变材料熔化，提高相变材料利用率。同时，熔化的相变材料在高孔隙率多孔介质中流动粘性阻力较小，能够促进液相相变材料的自然对流作用，进而更加有利于改善蓄热器蓄热效果，提高蓄热器效率。

附图说明

图1是本发明实施例相变蓄热器的立体图；

图2是本发明实施例相变蓄热器的主视图；

图3是本发明实施例相变蓄热器复合相变材料的示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明创造和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明创造的限制。

术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明创造中的具体含义。

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1和图2所示，本发明实施例提供的一种相变蓄热器，包括蓄热器壳体3，蓄热器壳体3顶部(上部)及底部(下部)分别设有载热流体入口1及载热流体出口2，蓄热器壳体3内布置有多根流体流动管束5，流体流动管束5周边封装有复合相变材料4，复合相变材料4由变孔隙率高导热系数多孔介质填充相变材料制成，多孔介质为泡沫金属或泡沫碳，相变材料作为主要蓄热介质被填充入多孔介质中，以变孔隙率高导热系数多孔介质作为强化换热介质以改善相变材料的蓄热性能，泡沫金属材质可为铜、镍、铝、铁等高导热系数材料及其合金。

如图3所示，高导热系数多孔介质孔隙率的变化方式为沿载热流体流动方向孔隙率减小，孔隙率在0.8-0.95之间变化，可为孔隙率递减的泡沫金属或泡沫碳层层叠加结构，也可为连续泡沫金属或泡沫碳整体，孔隙率与流动距离的函数关系不局限于简单的线性递减关系，所有能够实现强化蓄热器换热性能的单调减函数关系均可。

在本实施例中，蓄热器壳体3由耐腐蚀合金及多层保温材料组成，尽量减少蓄热材料向环境散热。耐腐蚀合金可采用铁基合金(耐腐蚀不锈钢)，镍基合金(ni-cr合金，ni-cr-mo合金，ni-cu合金等)或活性金属。

蓄热过程中，高温载热流体从载热流体入口1流入，而后通过流体流动管束5加热管束周边封装的复合相变材料4，相变材料吸收热量熔化，放热后的低温载热流体从载热流体出口2流出；放热过程中，低温载热流体从载热流体入口1进入，液相相变材料向载热流体释放热量凝固，高温载热流体从载热流体出口2流出。

本实施例提供的采用高导热系数变孔隙率多孔介质强化蓄热过程的相变蓄热器的技术效果在于：

载热流体在载热流体入口进入蓄热器，在流动管束中流动向相变材料释放热量，温度随着流动逐渐降低，而后从载热流体出口流出。从导热角度看，在入口处载热流体温度高、换热温差大，相变材料熔化加快；而在出口处载热流体温度降低，多孔介质孔隙率低，复合相变材料有效导热系数高，热阻较小，进而促进出口处的熔化过程。从对流角度看，上部孔隙率高，金属骨架细，骨架对自然对流流动阻力小，自然对流流速快，进而可以强化对流换热，加速复合材料上部熔化。采用沿载热流体流动方向孔隙率减小的泡沫金属或泡沫碳较均匀孔隙率结构能够在导热和自然对流两个角度共同促进相变材料熔化，加速蓄热过程。

除非另作定义，此处使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明专利发明说明书以及权利要求书中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。

以上所述仅为本发明的示例实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。